一种车辆检测系统的时钟同步方法
【专利摘要】本发明涉及一种车辆检测系统的时钟同步方法，该方法在预置时间内各次同步时节点和网关节点的时钟偏移量均不大于第一允许误差时，增大同步周期；在预置时间内各次同步的时钟偏移量中存在大于第一允许误差的时钟偏移量时，减小同步周期；采用本发明能够在不牺牲时钟同步精度的前提下减少时钟同步的能量开销。
【专利说明】一种车辆检测系统的时钟同步方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)技术,尤其是一种车辆检测系统的时钟同步方法。
【背景技术】
[0002]融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的WSN由分布在物理空间上大量传感器节点通过自组网的方式构成网络，借助节点内置的不同类型传感器探测周围不同环境中包括温度、湿度、移动目标方向和速度等众多物质现象。时钟同步是WSN应用的重要组成部分，传感器节点检测到的数据融合、以及其自身定位等都要求传感器节点间的时钟保持同步。
[0003]广泛用于网络时钟同步的方法主要有全球定位系统(GPS，Global PositioningSystem)和网络时间协议(NTP,Net-work Time Protocol)。GPS具有相当高的同步精度,但其成本高并且能耗较大，而且在有建筑物等阻挡物的环境同步精度会受到很大影响。NTP是Internet上进行时钟同步的协议,它能实现网络上高精度的计算机校时，但它是计算密集型的，计算开销很大。而在WSN应用中，要求传感器节点外形尽可能小，部署后又维护困难，进而对能耗也有严格的要求，并要求低廉的成本使其能够被大量部署，显然将GPS和NTP用于WSN的时钟同步是不可取的。分布式系统中对时钟同步也有大量研究，但这些方法同样没有考虑无线传感器网络的特点，需要较大的资源开销，所以也不适合WSN的时钟同步。
[0004]目前针对WSN提出的时钟同步算法可分为三类:基于接收者与接收者(receiver-receiver)的同步算法、基于发送者与接受者(sender-receiver)之间进行成对同步的成对同步(Pair-Wise Synchronization)算法和基于sender-receiver的单向(one-way)同步算法。其中，one-way同步算法在上述三类方法中需要发送时钟同步消息的数目最少，发送节点只要发送一次时钟同步消息就可完成发送节点与接收节点间的时钟同步，具有较低的网络流量开销和计算复杂度，因而具有较低的能耗。
[0005]车辆检测系统是一种典型的WSN，又因其节点设置的环境对节点的体积、重量等的限制更为苛刻，例如，地磁检测器设置于路面下，要尽可能减少对路面的损坏，则要求节点的体积尽可能小，而中继器挂设在道路旁原有的设施上，要尽可能少给原有设施增加承重，要求节点的重量尽可能轻；并且，车辆检测系统还需要其组成节点能够长时间持续工作。因而，车辆检测系统对其组成节点的节能方面的要求更高。当然，车辆检测系统对时钟同步的精度要求也较高。可见，与现有的针对WSN提出的时钟同步算法相比，一种能够满足车辆检测系统的同步精度要求、且耗能更少的时钟同步方法是车辆检测系统所急需的。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种车辆检测系统的时钟同步方法，能够在不牺牲时钟同步精度的前提下减少时钟同步的能量开销。
[0007]为达到上述目的，本发明的技术方案如下: 一种车辆检测系统的时钟同步方法，该方法包括:
A、节点以当前周期为同步周期与网关节点进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤B ;
B、比较当前预置时间内各次同步时节点与网关节点的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，执行步骤C ;否则，执行步骤D ;
C、增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤A ;
D、减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤A。
[0008]优选地，所述当前周期为:初始周期或者第二周期，第二周期大于初始周期；
当前周期为初始周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第二周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期。
[0009]优选地，所述当前周期为:初始周期或者第二周期或者第三周期，第三周期大于第二周期，第二周期大于初始周期；
当前周期为初始周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第二周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第三周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期。
[0010]优选地，所述第一允许误差的取值为本地时钟的I个时钟嘀嗒。
[0011]优选地，其特征在于，所述初始周期的取值范围为:[ls，5s];所述第二周期的取值范围为:[3s，20s];所述第三周期的取值范围为:[20s，30s]。
[0012]优选地,节点启动时该方法还包括初始同步,过程如下: al、接收网关节点下发的同步包；
b1、依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间，根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所得出的接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量；
Cl、判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A ;否则，在下一分钟，返回步骤al。
[0013]优选地，判定所述预置时间届满的方法如下:
设置计数器的最大计数值为预先设定的固定时长，计数至最大计数值时清零重新计数；
节点完成所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，计数器开始计数，每到计数器计数至最大计数值时，即为预置时间届满时；或者，
设置第一计数器和第二计数器；
节点启动时，第一计数器开始计数；
节点完成所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，第二计数器以第一计数器当前的计数值为起始计数值开始计数；当第二计数器的计数值等于节点的校准点时即为预置时间届满时，第二计数器清零重新计数。
[0014]优选地，节点连续丢失同步包的次数大于允许丢包次数时，该节点执行快速同步，具体步骤如下:
a2、接收网关节点下发的同步包；
b2、依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间,根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所述接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量；
c2、判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A ;否则，在下一个N秒，返回步骤a2 ；
其中，N的取值范围为[5，16]。
[0015]优选地，所述第 二允许误差的取值为本地时钟的I个时钟嘀嗒和2个滴答时钟嘀嗒中的一个。
[0016]优选地，所述节点为地磁检测器，网关节点为接入点，接入点下发的同步包通过中继器转发给地磁检测器，具体为:
中继器接收接入点下发的同步包；
中继器在接收到的同步包的时间戳中加入路径偏移量后得到的新的时间戳，并转发该携带新的时间戳的同步包；其中，
所述路径偏移量是中继器接收同步包至转发该同步包的时间。
[0017]基于上述，本发明提供的一种车辆检测系统的时钟同步方法具有以下优点和特
占-
^ \\\ ?
1、在预置时间内各次同步的时钟偏移量均不大于第一允许误差时，增大同步周期，这样既减少了同步次数又不影响同步精度，达到了减少时钟同步的能量开销的目的；进一步的，在预置时间内各次同步的时钟偏移量中存在大于第一允许误差的时钟偏移量时，减小同步周期，保证了时钟同步的精度。此外，也使得时钟同步动态适应无线网络传输状况，网络信号不好时增加同步次数，信号良好时减少同步次数，使得系统各设备之间按各自的时间点即能够准确交换数据；
2、中继器在转发的同步包的时间戳中加入了路径偏移量，这样，于节点来看中继器是透明的，节点收到的同步包是网关节点直接下发的或是通过中继器转发的，均可采用相同的算法实现时钟同步，增强了车辆检测系统的可扩展性；
3、提供了快速同步方法，使得节点脱网后重新接入网络时，可快速与网关节点时钟同
止/J/ o【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例车辆检测系统的时钟同步方法的流程示意图。
[0019]图2为本发明实施例地磁检测器与接入点时钟同步的流程示意图。
[0020]图3为本发明实施例中继器与接入点时钟同步的流程示意图。
【具体实施方式】
[0021]具体的，本发明实施例车辆检测系统的时钟同步方法的实现流程如图1所示，包括:
步骤101:节点以当前周期为同步周期与网关节点进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤102 ；
步骤102:比较当前预置时间内各次同步时节点与网关节点的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，执行步骤103 ;否则，执行步骤104 ；
步骤103:增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤101 ；
步骤104:减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤101。
[0022]步骤101 中，
所述节点指车辆检测系统中除网关节点外的其余节点。
[0023]所述节点与网关节点进行时钟同步具体为:
步骤all、节点接收网关节点下发的同步包；
步骤bll、节点依据实际接收到同步包的时间和该同步包的时间戳，得出节点与网关节点的时钟偏移量；
步骤ell、将本地时钟调整所得出的时钟偏移量，使本地时钟与网关节点时钟同步。其
中，
所述节点为地磁检测器、网关节点为接入点(AP，Access Point)时，对于AP下发的同步包通过中继器转发给地磁检测器的传输方式，步骤all具体为:
中继器接收AP下发的同步包；
中继器在接收到的同步包的时间戳中加入路径偏移量后得到的新的时间戳，并转发该携带新的时间戳的同步包；其中，所述路径偏移量是中继器接收同步包至转发该同步包的时间；
节点接收中继器转发的同步包。
[0024]步骤bll具体为:
计算同步包的时间戳和同步包从网关节点到节点的时间延迟的和，得到理论上应接收到该同步包的时间；
计算实际接收到的同步包的时间和理论上应接收到该同步包的时间的差，得到节点与网关节点的时钟偏移量；即:
理论上应接收到该同步包的时间=同步包的时间戳+同步包从网关节点到节点的时间
延迟 时钟偏移量=实际接收到的同步包的时间-理论上应接收到该同步包的时间所述节点与网关节点进行时钟同步也还可以通过现有的针对WSN提出的时钟同步算法实现。
[0025]所述预置时间可以为预先设定的固定时长。
[0026]步骤102 中，
所述第一允许误差的取值为本地时钟的I个时钟嘀塔(tick)。
[0027]步骤103 和 104 中，
所述当前周期为:初始周期或者第二周期，第二周期大于初始周期；
相应的，所述增大/减小当前周期，将增大/减小后的周期作为当前周期为:对应于对当前周期进行增大/减小的操作，将初始周期或第二周期赋值给当前周期，具体的:
当前周期为初始周期，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第二周期，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期。
[0028]所述当前周期还可以为:初始周期或者第二周期或者第三周期，第三周期大于第二周期，第二周期大于初始周期；
相应的，所述增大/减小当前周期，将增大/减小后的周期作为当前周期为:对应于对当前周期进行增大/减小的操作，将初始周期、第二周期或第三周期赋值给当前周期，具体的:
当前周期为初始周期，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第二周期，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期；
当前周期为第三周期，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期。
[0029]这里，所述初始周期的取值范围为:[ls，5s];所述第二周期的取值范围为:[3s, 20s];所述第三周期的取值范围为:[20s，30s]。当所述当前周期为初始周期或者第二周期或者第三周期时，优选的，初始周期的取值为ls、3s或5s，第二周期的取值为3s、IOs或20s，第三周期的取值为20s、25s或30s ;当所述当前周期为初始周期或者第二周期时，优选的，初始周期的取值为ls、3s或5s，第二周期的取值为3s、5s或20s。
[0030]节点启动时,在步骤101前,本发明实施例还包括初始同步,过程如下:
步骤al2:接收网关节点下发的同步包；
步骤bl2:依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间，根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所得出的接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量；
步骤cl2:判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤101 ;否则，在下一分钟，返回执行步骤al2。
[0031]步骤bl2 中，
所述同步包携带的偏移时间指同步包的发送时间偏移前一个整秒点的时间；
所述依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间可以通过以下公式实
现:
整点同步包的接收时间=检测器接收到所述同步包的时间+ (Is-偏移时间)。
[0032]步骤c 12 中，
所述第二允许误差的取值可以为本地时钟的I个时钟嘀塔和2个时钟嘀塔中的一个；优选的，所述第二允许误差的取本地时钟的2个时钟嘀嗒。
[0033]本发明实施例还包括判定步骤101中的当前预置时间届满的方法，具体为:
步骤al3:设置计数器的最大计数值为预先设定的固定时长，计数至最大计数值时清
零重新计数；其中，所述固定时长的取值范围为[ls，60s]，优选的，固定时长取ls、30s或60s ；
步骤bl3:节点完成步骤cl2所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，计数器开始计数，计数器计数至最大计数值时即为预置时间届满时；或者，
步骤al4:设置第一计数器和第二计数器；
步骤bl4:节点启动时，第一计数器开始计数；
步骤cl4:节点完成步骤cl2所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，第二计数器以第一计数器当前的计数值为起始计数值开始计数；当第二计数器的计数值等于节点的校准点时即为预置时间届满时，第二计数器清零重新计数；
步骤al4中，第一计数器的最大计数值为30s，计数到30s时清零，重新计数。
[0034]步骤cl4中，所述校准点是节点设备固有的。
[0035]节点脱网，即节点连续丢失同步包的次数大于允许丢包次数时，本发明实施例还包括节点重新接入网络时与网关节点快速同步的方法，具体如下:
步骤al5:接收网关节点下发的同步包；
步骤bl5:依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间，根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所述接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量；
步骤cl5:判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A ;否则，在下一个N秒，返回执行步骤al5 ；
其中，N的取值范围为[5，16]，优选的，N取5、8或16。
[0036]所述允许丢包次数的取值范围为[8次，16次]，优选的，允许丢包次数取8次、10次或16次。
[0037]如图2所示，节点为地磁检测器、网关节点为AP时，本发明实施例车辆检测系统的时钟同步的实现流程如下:
步骤201:地磁检测器以初始周期为同步周期与AP进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤202 ； 步骤202:地磁检测器比较当前预置时间内各次同步时地磁检测器与AP的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，将下一个预置时间作为当前预置时间，执行步骤203;否则，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤201 ；
步骤203:地磁检测器以第二周期为同步周期与AP进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤204 ；
步骤204:地磁检测器比较当前预置时间内各次同步时地磁检测器与AP的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，将下一个预置时间作为当前预置时间，执行步骤205 ;否则，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤201 ；
步骤205:地磁检测器以第三周期为同步周期与AP进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤206 ；
步骤206:地磁检测器比较当前预置时间内各次同步时地磁检测器与AP的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤205;否则，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤203。
[0038]如图3所示，节点为中继器、网关节点为AP时，本发明实施例车辆检测系统的时钟同步的实现流程如下:
步骤301:中继器以初始周期为同步周期与AP进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤302 ；
步骤302:中继器比较当前预置时间内各次同步时中继器与AP的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，将下一个预置时间作为当前预置时间，执行步骤303 ;否则，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤301 ；
步骤303:中继器以第二周期为同步周期与AP进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤304 ；
步骤304:中继器比较当前预置时间内各次同步时中继器与AP的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤303 ;否则，将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤301。
[0039]以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，该方法包括: A、节点以当前周期为同步周期与网关节点进行时钟同步；当前预置时间届满时，执行步骤B ; B、比较当前预置时间内各次同步时节点与网关节点的时钟偏移量与第一允许误差的大小，如果不存在大于第一允许误差的时钟偏移量，执行步骤C ;否则，执行步骤D ; C、增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤A ; D、减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期，并将下一个预置时间作为当前预置时间，返回步骤A。
2.根据权利要求1所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述当前周期为:初始周期或者第二周期，第二周期大于初始周期； 当前周期为初始周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述 减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期； 当前周期为第二周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期。
3.根据权利要求1所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述当前周期为:初始周期或者第二周期或者第三周期，第三周期大于第二周期，第二周期大于初始周期； 当前周期为初始周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期； 当前周期为第二周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将初始周期作为当前周期； 当前周期为第三周期时，所述增大当前周期，将增大后的周期作为当前周期为:将第三周期作为当前周期；所述减小当前周期，将减小后的周期作为当前周期为:将第二周期作为当前周期。
4.根据权利要求1、2或3所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述第一允许误差的取值为本地时钟的I个时钟嘀塔。
5.根据权利要求4所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述初始周期的取值范围为:[ls，5s];所述第二周期的取值范围为:[3s，20s];所述第三周期的取值范围为:[20s, 30s]。
6.根据权利要求1所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，节点启动时该方法还包括初始同步，过程如下: al、接收网关节点下发的同步包； bl、依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间，根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所得出的接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量； Cl、判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A ;否则，在下一分钟，返回步骤al。
7.根据权利要求6所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，判定所述预置时间届满的方法如下: 设置计数器的最大计数值为预先设定的固定时长，计数至最大计数值时清零重新计数； 节点完成所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，计数器开始计数，每到计数器计数至最大计数值时，即为预置时间届满时；或者， 设置第一计数器和第二计数器； 节点启动时，第一计数器开始计数； 节点完成所述调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A的同时，第二计数器以第一计数器当前的计数值为起始计数值开始计数；当第二计数器的计数值等于节点的校准点时即为预置时间届满时，第二计数器清零重新计数。
8.根据权利要求1所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，节点连续丢失同步包的次数大于允许丢包次数时，该节点执行快速同步，具体步骤如下: a2、接收网关节点下发的同步包； b2、依据同步包携带的偏移时间得出整点同步包的接收时间,根据所述接收时间接收网关节点下发的整点同步包，计算实际接收到该整点同步包的时间与所述接收时间的差，得到节点与网关节点当前的时钟偏移量； c2、判断所述当前的时钟偏移量是否小于第二允许误差，如果是，节点调整本地时钟与网关节点时钟同步，执行步骤A ;否则，在下一个N秒，返回步骤a2 ； 其中，N的取值范围为[5，16]。
9.根据权利要求6、7或8所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述第二允许误差的取值为本地时钟的I个时钟嘀嗒和2个滴答时钟嘀嗒中的一个。
10.根据权利要求1、2或3所述的车辆检测系统的时钟同步方法，其特征在于，所述节点为地磁检测器，网关节点为接入点，接入点下发的同步包通过中继器转发给地磁检测器，具体为:中继器接收接入点下发的同步包； 中继器在接收到的同步包的时间戳中加入路径偏移量后得到的新的时间戳，并转发该携带新的时间戳的同步包；其中， 所述路径偏移量是中继器接收同步包至转发该同步包的时间。
【文档编号】H04W84/18GK103596261SQ201310539703
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】刘向东, 何赐文, 王焱桥, 张大伟 申请人:迈锐数据（北京）有限公司